航空发动机传动系统技术成熟度评价方法的应用

刘庆东，史妍妍，崔 洋，刘晓松

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

0 引言

传动系统是航空发动机的重要子系统，其主要功能是带动发动机附件及飞机附件工作，一旦失效将对整机的安全性和可靠性造成重要影响，甚至可能导致战斗机的动力丧失[1]。然而，受到长期测绘仿制工作模式的影响，承研单位对传动系统研制的相关技术研究不足，发动机研制及列装后仍不断发生传动系统故障[2-5]，成为型号研制“拖、降、涨”的重要因素之一。

在技术成熟度评价中，通常先根据重要性和新颖性识别关键技术元素，再针对关键技术元素按成熟度评价细则TRL1～9开展评价工作[6]。然而，航空发动机的传动系统结构形式单一，往往由于新颖性不足而未被型号列为关键技术元素，为后续故障的发生埋下了隐患。

本文提出基于传动系统的技术分解结构TBS，制定各项技术的TRL1～9专用评价细则，并根据专用细则全面开展技术成熟度评价工作的流程和方法。该项工作对控制传动系统研制过程中的技术风险具有重要意义，也为承研单位制定技术能力提升计划奠定了坚实的基础。

1 全生命周期的技术成熟度等级要求

1.1 技术成熟度的等级定义

技术成熟度等级TRL，是指从掌握技术原理到技术在工程上成功应用的过程中，对技术满足项目预期目标的度量，可以量化描述传动系统的技术状态和技术风险，从而对研制项目的科学管理和决策起到重要的参考作用[7-11]。

参照美国国防采办局关于技术成熟度的分级，并结合中国武器装备研制特点与实际，航空发动机的技术成熟度标准定义为9级[12]，每级都建立了相应的评价细则。

1.2 研制阶段对技术成熟度的等级要求

航空发动机全生命周期内研制阶段划分为论证、方案、工程研制、设计定型、生产定型、批量生产、使用保障7个阶段。在发动机研制过程中，主要包含A、B、C 3个主要里程碑（即型号立项评审、方案评审、设计定型评审）以及3个主要决策点（即装备研制决策、原型机研制决策、大批量生产决策）。各里程碑、决策点评审点对技术成熟度等级要求如图1所示。

图1 发动机研制阶段对技术成熟度的等级要求

主要要求包括:

（1）在立项评审前，要求全部技术的成熟度等级至少达到3级，才可转入方案阶段；

（2）在方案评审前，要求全部技术的成熟度等级至少达到5级，才可转入工程研制阶段；

（3）在工程验证机向原型机转段前，要求全部技术的成熟度等级至少达到6级，才可转入工程研制阶段；

（4）在设计定型评审前，要求全部技术的成熟度等级至少达到8级，才可转入生产定型阶段。

2 传动系统的技术成熟度评估流程

基于航空发动机技术成熟度评估的通用流程，简化关键技术元素识别等步骤，建立全面评估传动系统技术成熟度的流程，如图2所示。主要步骤包括:

（1）基于该型号传动系统的产品分解结构（Product Breakdown Structure,PBS），建立传动系统的技术载体架构；

（2）基于技术载体架构，全面梳理出每个PBS单元承载的技术，建立传动系统技术分解结构TBS；

（3）对于TBS中的n个技术单元，根据航空发动机技术成熟度评价TRL1～9通用细则，建立该项技术的TRL1～9技术成熟度评价专用细则；

（4）根据该型号所处的研制阶段及其技术成熟度等级要求N（如图1所示），确定首轮评价采用第N等级的评价细则；

（5）按第N等级细则要求，开展该项技术的首轮技术成熟度评价，一旦满足则初步判定该技术单元的成熟度等级为N；否则，将按下一级细则要求，重新进行技术成熟度评价，直至评价结果满足细则要求，最终确定该项技术的成熟度等级；

（6）对于TBS中的n个技术单元，按照（5）逐一判定其技术成熟度等级，并针对不满足研制阶段技术成熟度等级要求的技术单元，分别建立该技术单元的技术成熟度提升计划；

（7）综合考虑TBS中n个技术单元的评估结果，及各技术单元之间的相互影响，编制《传动系统技术成熟度评价报告》，对技术风险进行系统分析，并制定传动系统的技术成熟度提升计划。

传动系统技术成熟度评价的核心，是确定不满足该研制阶段技术成熟度等级要求的技术，从而采取针对性措施提高其成熟度、降低故障发生的概率。因此，对于满足第N等级细则要求的技术，暂不开展第N+1等级的技术成熟度评价，其评价工作随下一阶段研制工作开展。

图2 传动系统技术成熟度评估流程

3 传动系统的技术成熟度评估方法

3.1 技术载体架构的建立

传动系统典型结构如图3所示。

典型传动系统的技术载体架构如图4所示。与传动系统的PBS层级结构一致，共分为3级:

（1）0级，为传动系统级；

（2）1级，为传动部件级，主要包括中央传动、发附机匣、飞附机匣3个部件，此外增设“传动系统总体”，用于承载3个部件之间的匹配技术；

（3）2级，为零组件级，其中的每个PBS单元由共同实现某一功能的实体结构组合而成，此外，每个部件增设1个“总体”单元，用于承载该部件内部各PBS单元之间的匹配技术。

图3 典型传动系统

图4 典型传动系统的技术载体架构

3.2 技术分解结构TBS的建立

基于该型号传动系统的技术载体架构，全面梳理出每个PBS单元承载的技术，建立传动系统技术分解结构TBS。梳理中应考虑该技术的验证载体，并将该技术与其验证载体相关联，如“齿轮传动链布局设计技术”只有在发附机匣整体状态下才能得到验证，因此将其挂在“发附机匣总体”单元之下，如图5所示。

图5 发附机匣总体的TBS

3.3 专用评价细则的制定

传动系统技术成熟度评价专用细则，是针对具体技术对发动机通用细则的解读，其制定原则主要有2项:

（1）应保持专用细则与发动机通用细则的内涵一致，且专用细则的内容包含但不限于通用细则的内容[13]；

（2）某一等级的专用细则，应充分考虑该研制阶段的工作任务和考核内容，保证该技术单元能够得到相应等级的充分考核。

3.4 细则满足情况的判定

对于某项技术单元，各级专用细则编制完成后，逐条对应其内容，对细则满足情况进行判定，并将细则条目全部满足的最高1级作为该项技术单元的成熟度等级[14-15]。

传动系统的全部技术单元，都完成成熟度等级评价后，应编制《传动系统技术成熟度评估报告》。分析各项技术单元的成熟度等级，及其与该研制阶段的成熟度等级要求之间的差距，并制定相应的技术成熟度提升计划，降低由技术成熟度低而导致的技术风险。

4 应用实例

以处于设计定型阶段的某型号传动系统为例，选取中央传动锥齿轮为技术载体，建立“中央传动锥齿轮设计技术”的专用评价细则（TRL1～9）。

在判定过程中，首先按该研制阶段的TRL7专用细则（见表1）进行满足情况的判定，结果有2项细则未满足（见表2），表明该项技术尚未达到TRL7；因此，再次选用TRL6专用细则（见表3）进行判定，结果全部细则均满足（见表4），因此判定该项技术的成熟度为TRL6。限于篇幅，表1~4中仅示出部分细则。

对比表3、5中的专用细则“满足情况分析”可见，“中央传动锥齿轮设计技术”若要达到TRL7，应通过相应的设计技术改进，确保其满足共振状态下的动应力测试、最低滑油清洁度下的磨损试验2项细则要求（见表3）。此外，也表明“中央传动锥齿轮设计技术”对正常使用环境有全面的考虑，但是对于使用中的超常和异常条件考虑不足，还需要开展相关的鲁棒性设计。

表1 中央传动锥齿轮设计技术的评价细则（TRL7）

表2 TRL7细则满足情况判定

表3 中央传动锥齿轮设计技术的评价细则（TRL6）

表4 TRL6细则满足情况判定

上述内容将纳入“中央传动锥齿轮设计技术”的成熟度提升计划之中。

5 结束语

（1）针对传动系统故障频发的研制现状，提出了基于传动系统的技术分解结构TBS，制定各项技术的TRL1～9专用评价细则，并根据专用评价细则制定全面开展技术成熟度评价工作的流程和方法。

（2）技术成熟度评价细则的建立是传动系统技术成熟度评价工作的核心，实现了对发动机通用细则的解读，且通过对细则满足情况的判定，明确了该项技术的成熟度提升方向。

（3）通过分析航空发动机全生命周期内各里程碑、决策点的技术成熟度等级要求，持续开展传动系统技术成熟度评价工作，并根据评价结果制定相应的成熟度提升计划，可实现对传动系统研制技术风险的有效管控。